Географическое распределение среднегодового приземного потепления в конце ХХI века. Приведены результаты осреднения расчетов с помощью ансамбля из 21 климатической модели (модели CMIP5) для сценария RCP4.5. Показаны изменения температуры к 2080 - 2099 гг. по отношению к периоду 1980 - 1999 гг. Модели CMIP5 и сценарии семейства RCP использованы (и подробно описаны) в последнем - Пятом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2013, 2014 гг.)
Карта: Люба Березина
Предсказание климата, включая последствия его изменений, — центральная задача науки о климате. Этой задаче подчинены все направления науки о климате — от анализа и интерпретации данных наблюдений за климатической системой до исследований ее чувствительности к внешним воздействиям и предсказуемости. Поведение климатической системы определяется взаимодействием пяти компонентов — атмосферы, океана, криосферы , биосферы и деятельного слоя суши . Характерные времена релаксации этих компонентов к внешним воздействиям различаются на несколько порядков. Благодаря нелинейности процессов, присущих указанным средам, и многообразию возникающих обратных связей, в климатической системе возбуждаются собственные колебания с самыми разными временными масштабами. Чтобы понять и предсказать поведение столь сложной системы под влиянием внешних воздействий (как антропогенных, так и естественных), необходимо использовать физико-математические модели климатической системы, описывающие процессы в указанных средах с достаточной степенью достоверности и детализации. Построение климатической модели начинается с определения системы уравнений, являющихся математическим описанием законов физики, действующих в климатической системе. Основные законы хорошо известны — это второй закон Ньютона, первое начало термодинамики, закон сохранения массы и др. Однако, применительно к жидкостям, движущимся на сфере (а таковыми в допустимом приближении являются и атмосфера, и океан), математическая запись этих законов усложняется. Решить аналитически соответствующие дифференциальные уравнения в частных производных невозможно. Приходится прибегать к компьютерным вычислениям. Задачу компьютеру можно облегчить разными способами, начиная с упрощения исходной системы уравнений (например, исключая процессы, которые в рамках поставленной задачи не важны), оптимизации вычислительных алгоритмов (допустим, уменьшая пространственное разрешение) и кончая совершенствованием компьютерной программы (учитывая количество процессоров конкретного компьютера, объем памяти и т. д.). Очевидно, определение исходной системы уравнений — задача физика, разработка алгоритма — ответственность математика, а создание компьютерной программы — искусство программиста. По этой причине для создания климатической модели, проведения исследований с ее помощью и, главное, анализа результатов одного человека недостаточно. Моделирование климата — задача, с которой способна справиться лишь группа специалистов. По мере развития климатической модели возникает потребность во все новых специалистах — химиках, биологах и др. Так климатические модели превращаются, как сегодня принято говорить, в модели Земной системы. Несмотря на бурное развитие вычислительной техники, потребность в пространственной детализации оценок будущих изменений климата, полученных с помощью глобальных моделей, вынуждает исследователей прибегать к использованию региональных климатических моделей. В таких моделях на границах региона задаются значения моделируемых величин, полученные с помощью глобальной модели, и производится их "пересчет" для этого региона с более высоким пространственным разрешением.
Ожидаемые к середине ХХI века изменения (%) экстремальных летних осадков (выше 95?й процентили), полученные с помощью региональной климатической модели ГГО им. А. И. Воейкова, две расчетные области которой обеспечивают покрытие всей территории Российской Федерации с горизонтальным разрешением 25 км.
Карта: Люба Березина
Помимо необходимости улучшения пространственного разрешения моделей, современные приоритеты развития моделирования климата связаны с включением дополнительных интерактивных компонентов. Кроме того, поскольку часть неопределенности будущих изменений климатической системы обусловлена ее собственной изменчивостью и не может быть устранена усовершенствованием моделей, необходимо исследовать эту неизбежную неопределенность в вероятностном пространстве. С этой целью необходимо проводить ансамблевые расчеты с варьированием как начальных состояний, так и модельных параметров. Воспроизведение экстремальных и редких явлений также требует массовых ансамблевых расчетов. Наконец, оценки будущих изменений некоторых "медленных" компонентов климатической системы, таких как ледниковые щиты, или климатических характеристик, таких как уровень океана, требуют проведения длительных численных экспериментов. Поэтому не вызывает сомнений, что в обозримом будущем развитие высоких технологий и, прежде всего, компьютерной техники будет играть решающую роль в совершенствовании предсказания климата.
В отличие от численного прогноза погоды, постоянно сверяемого с фактическими данными, пригодность моделей для использования в расчетах будущих состояний климатической системы невозможно установить, анализируя собственно результаты этих расчетов. Но резонно предположить, что достоверность расчетов будущего климата подтверждается способностью модели воспроизводить современное состояние климатической системы, а также ее состояние в прошлом, в соответствии с имеющимися данными наблюдений. Если, помимо современного климата, модель воспроизводит состояния климатической системы в далеком прошлом (когда внешние воздействия сильно отличались от современных), а также известную эволюцию климатической системы (например, в течение ХХ и предыдущих веков), можно надеяться, что полученные с помощью этой модели оценки изменений климата при ожидаемых в будущем сценариях внешнего воздействия заслуживают доверия. Сегодня во всем мире количество известных глобальных моделей составляет несколько десятков. И среди них нет модели, лучше прочих описывающей, например, современный климат. Обычно каждая модель хорошо воспроизводит лишь часть искомых климатических величин, в то время как остальная часть воспроизводится хуже. Наиболее высокую успешность, как правило, показывает "средняя" (по ансамблю) модель. Это связано с тем, что систематические ошибки отдельно взятых моделей не зависят друг от друга и при осреднении по ансамблю компенсируются. На основе сценариев будущих эмиссий парниковых газов и аэрозолей с помощью современных моделей климата получены климатические сценарии. Но необходимо принимать во внимание, что важным источником неопределенности оценок изменения климата в ближайшие десятилетия является относительно малая величина антропогенного изменения климата на фоне естественной его изменчивости.
В Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова Росгидромета (ГГО) создана и применяется трехмерная модульная система вероятностного прогнозирования для получения количественных оценок последствий будущих климатических изменений на территории России и в регионах геополитических интересов РФ (Арктика, ближнее зарубежье). Она включает совместную глобальную модель климатической системы Земли, региональные климатические модели с пространственным разрешением 50 и 25 км, а также модели отдельных компонентов климатической системы для пространственно детализированных исследований (многолетнемерзлые грунты, речные системы, пограничный слой атмосферы). При всем огромном и далеко не исчерпанном потенциале климатических моделей их возможности не безграничны. На многие вопросы, связанные с предсказуемостью климатической системы, еще предстоит получить ответы. Не исключено, что мы недооцениваем роль каких-либо факторов в будущих изменениях климата, и на этом пути нас еще ждут сюрпризы. Тем не менее, несомненно, современные климатические модели отвечают наивысшему уровню знаний, накопленных человечеством за время исследований климатической системы, и им нет альтернативы в оценках возможных в будущем изменений климата.
Не путайте прогноз и сценарий
Под климатическим сценарием понимают правдоподобную (или вероятную) эволюцию климатической системы в будущем, которая согласуется с предположениями о будущих эмиссиях (со сценариями эмиссий) парниковых газов и других атмосферных примесей, например сульфатного аэрозоля, и с существующими представлениями о воздействии изменений концентрации этих примесей на климат. Соответственно, под сценарием изменения климата подразумевается разница между климатическим сценарием и современным состоянием климата. Поскольку сценарии эмиссий основываются на тех или иных предположениях о будущем экономическом, технологическом, демографическом и т. п. развитии человечества, климатические сценарии, равно как и сценарии изменения климата, следует рассматривать не как прогноз, но лишь как внутренне непротиворечивые картины возможных в будущем состояний климатической системы.Не путайте климат с погодой
Климат — совокупность всех погодных условий на конкретной территории (область, регион, континент, Земля) за продолжительное время. Сложные нелинейные системы, в том числе климат, имеют ограниченную предсказуемость. Различают предсказуемость первого и второго рода. Предсказуемость первого рода определяется зависимостью эволюции системы от начального состояния. Предсказуемость второго рода определяет возможность статистического описания будущих состояний системы. В смысле предсказуемости различие между климатом и погодой (то есть между осредненным и неосредненным состояниями) принципиально. Атмосфера — наиболее неустойчивый и быстро меняющийся компонент климатической системы. Поэтому прогноз погоды, как правило, не превышает двух недель. Другие компоненты климатической системы меняются медленнее, их предсказуемость выше, но также ограничена во времени. Изменения климата, обусловленные внешними воздействиями, предсказуемы в широком временном диапазоне — от лет до столетий и более.
* Криосфера — компонент климатической системы, состоящий из всего снега, льда и мерзлого грунта (в том числе вечной мерзлоты) на поверхности Земли и океана и под ней.
** Деятельный слой суши (деятельная поверхность суши) — поверхность суши, участвующая в трансформации солнечной энергии, то есть воспринимающая и отдающая солнечную энергию.
текст Владимир Катцов доктор физико-математических наук, Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Росгидромет
картография Люба Березина
13. Кислотные осадки. Их действие на экосистемы.
Снег, туманы, росы, дожди. Чем меньше воды в атмосферном явлении, тем кислотность выше. Естественное значение pH для природных дождей 5,6. Кислотные дожди: рН колеблется от 3 до 5.
Опасными являются не сами кислотные осадки, а процессы, которые протекают под их влиянием. Основные компоненты кислотных осадков – оксид азота и оксид серы. Больше всего диоксида выделяется при сжигании топлива, главным образом угля, металлургическая промышленность, переработка полиметаллических руд, производство серной кислоты, переработка нефти. Оксиды азота появляются при сжигании топлива на ТЭС, при производстве азотных удобрений, азотной кислоты, выхлопов двигателей внутреннего сгорания.
Естественные источники газов: бактериальная активность в почве, грозы, извержения вулканов, лесные пожары.
Поступление в атмосферу больших количеств SO 2 и окислов азота приводит к образованию сильных кислот - серной и азотной. В этих реакциях участвуют кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализаторов:
2SO 2 + О 2 + 2Н 2 О 2H 2 SO 4 ;
4NO 2 + 2Н 2 O + О 2 4HNO 3 .
Кислотные осадки разрушают восковую пленку на листьях. В результате растения делаются доступными для различных болезнетворных микроорганизмов. Уменьшается устойчивость лесов к засухам, к болезням, к загрязнениям, а это в свою очередь приводит к их деградации, как природных экосистем.
Кислотные дожди влияют и на почву: происходит вымывание из почвы биогенных элементов: катионы калия, кальция, магния и др. В то же время из почвы вымываются токсичные тяжелые металлы, кроме того, тяжелые металлы начинают связывать полезные компоненты (фосфор), в результате чего уменьшается плодородие почвЕсли в водоемах pH < 4,5, не водится фитопланктон, улитки, мидии, ракообразные, т.е. отсутствует корм для рыб, в результате не водится и рыба.
Кислотные осадки усиливают коррозию металлов, разрушают строительные материалы, материалы памятников скульптур, т.е. начинает разрушаться мрамор, известняк, бетон, кирпич.
CaCO 3 + H 2 O + SO 2 + O 2 = CaSO 4 * 2H 2 O
CaSiO 3 + H 2 O + SO 2 + O 2 = CaSO 4 * 2H 2 O
Пример влияния на экосистемы: закисление озер в Канаде, Швеции, Норвегии, это обусловлено тем, что большая часть выбросов приходится на США, ФРГ, Великобританию.
14. Климат. Современные климатические модели.
Климат – характерный многолетний режим погоды, который наблюдается в данной местности в течение веков и определяется закономерной последовательностью метеорологических процессов.
Погода характеризует состояние метеорологических условий (температуры, относительной и абсолютной влажности воздуха, атмосферного давления) и физических явлений (атмосферных осадков, туманов, ветра, грозы) в данное время.
Колебания климата и его природная изменчивость оказывают глубокое влияние на живые организмы. Географическое распределение растений и животных, характер и интенсивность биологических процессов во многом определяются климатическими условиями. Изменения климата являются одним из факторов эволюции биосферы.
Климат Земли формируется в результате сложного взаимодействия гидросферы, атмосферы, криосферы, литосферы и биосферы.
Для прогноза будущего изменения климата необходимо моделирование многочисленных, постоянно меняющихся факторов окружающей среды. Самые первые климатические модели были основаны на предпосылке постоянства климата: выбирались переменные и интервал времени для их оценки. Но эти модели давали лишь очень приблизительные и далеко неточные прогнозы будущих изменений климата.
Более эффективные комплексные климатические модели основываются на физических законах, представляемых математическими уравнениями.
Для быстрых, приблизительных и краткосрочных прогнозов ожидаемых изменений используются уравнения гидродинамики, с помощью которых описывают движение.
Альтернативный подход обеспечивают уравнения балансного типа, которые фиксируют баланс какой-либо величины (масса, энергия, тепло) в выделенной части пространства. Эти уравнения оперируют с усредненными значениями. При описании климатических изменений усреднение должно распространяться на промежутки времени не менее одного года и на значительные пространственные области.
Предельным случаем усреднения является нуль – мерная, т. е. точечная модель Земли, которая описывает климат при помощи единой для всего земного шара температуры Т. Эту температуру можно найти, приравняв падающий на земной диск поток коротковолнового излучения потоку длинноволнового излучения, покидающего поверхность Земли. В соответствии с законом Стефана-Больцмана поток уходящего излучения пропорционален четвертой степени температуры. Такой усредненный подход дает возможность оценить распределение средней температуры по поверхности Земли, но не позволяет воспроизвести динамику климата.
Более прогрессивными моделями климатической системы являются модели атмосферных движений, которые описывают воздушные потоки, выравнивающие температурный профиль вдоль меридианов. Такие модели сыграли значительную роль в понимании механизмов самоорганизации в климатических системах.
Последующие климатические модели усложнялись за счет простого увеличения их размерности. В них появлялись новые параметры природных процессов. Возникла необходимость введения в современные климатические модели множества дополнительных параметров, важнейшими из которых являются:
биота и глобальный цикл диоксида углерода;
гидрологический режим;
вечная мерзлота;
снежный покров и ледники;
прибрежные процессы;
циркуляция океана и структура придонных вод;
динамика, тепловой баланс и состав атмосферы;
солнечные и геомагнитные воздействия.
Но и эти параметры не могут быть достаточно точно оценены современными средствами наблюдения за климатической системой Земли. Они настолько тонко сбалансированы, что даже малые их изменения могут привести к ощутимым последствиям. Но и точность измерения параметров климатической модели еще не гарантирует ее высокого качества в целом.
«Электромагнитная» модель климата: основана на взаимодействии энергии космических элементарных частиц и магнитного поля Земли. Согласно этой модели, в магнитном поле Земли энергия космических частиц преобразуется в токи земного ядра и радиационных поясов. Жидкая часть магмы земного ядра выполняет функцию ротора. Перемещаясь в недрах Земли, она как бы подкручивает планету, определяет ритм ее вращения и способствует образованию поперечного электрического тока. Такой ток протекает на границе твердой и жидкой магмы, а его синусоида совпадает с Гольфстримом и другими океаническими течениями.
В последние годы учен ыми НАСА разработана новая модель клим ата. Согласно этой модели, история изменения климата делится на два периода: до и после появления техногенных систем. Ученые НАСА считают, что в течение 1400 - 1700 годов, когда не было влияния на природу промышленных выбросов, одним из самых больших факторов, влияющих на изменение климата планеты, было изменение солнечной активности. Компьютерное моделирование позволило восстановить особенности климата и атмосферные явления этого времени.
Эта же модель климата показала, что в последнее столетие техногенное влияние человеческого фактора стало превалирующим над влиянием солнечной активности. Во второй половине XX века стало очевидно, что за счет антропогенного воздействия общая климатическая ситуация меняется гораздо быстрее, чем в прежние времена. Конец XX века принес с собой изменение климата в масштабах всей планеты. Наблюдается глобальное потепление, связанное с воздействием человека на биосферу. Повысилась температура воздуха у поверхности суши, потеплела вода в океанах, а вслед за тем участились бури, наводнения, засухи.
Поэтому, прослеживая тепловую историю земного шара, необходимо отличать естественные изменения от изменений, вызванных воздействием человека. И климатические модели должны раскрывать особенности развития тепловых процессов в техногенных системах. Если будет окончательно доказано, что техногенная деятельность человечества вызывает значительное глобальное потепление, которое может вызвать катастрофические последствия, то необходимо скорее перейти к использованию альтернативных источников энергии без использования углерода. Такие страны, как Япония и США уже сегодня вкладывают десятки и сотни миллионов долларов в разработку двигателей, работающих на водородном топливе.
Особенный рост интереса к изменению климата отмечается с конца прошлого столетия. Связано это с нарастанием изменений в природе, очевидным уже на уровне простого обывателя. Насколько эти изменения обусловлены естественными процессами, а насколько связаны с деятельностью человека? Сегодня разобраться в этом нам поможет беседа со специалистами — ведущими научными сотрудниками Института вычислительной математики РАН. Евгений Володин и Николай Дианский, с которыми мы сегодня беседуем, занимаются в институте моделированием климата и являются российскими участниками Международной группы экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change , IPCC).
— Какие факты глобального изменения климата отражены в исследованиях и включены в четвертый оценочный доклад?
— Мы все даже на бытовом уровне ощущаем последствия глобального потепления — так, например, зимы стали теплее. Если же обратиться к научным данным, то и они показывают, что 11 из 12 последних лет являются самыми теплыми за весь период инструментальных наблюдений за глобальной температурой (с 1850 г.). За последнее столетие изменение средней глобальной температуры воздуха составило 0,74°С, причем линейный тренд температуры в последние 50 лет почти вдвое превышал соответствующее значение для столетия. Если говорить о России, то зимние месяцы на большей части нашей страны за последние 20 лет были в среднем на 1-3 градуса теплее, чем зимы в предыдущее двадцатилетие.
Изменение климата не означает простое повышение температуры. Под устоявшимся термином «глобальное изменение климата» понимают перестройку всех геосистем. А потепление рассматривают лишь как один из аспектов изменений. Данные наблюдений свидетельствуют о повышении уровня Мирового океана, таянии ледников и вечной мерзлоты, усилении неравномерности выпадения осадков, изменении режима стока рек и других глобальных изменениях, связанных с неустойчивостью климата.
Значимые изменения произошли не только в средних климатических характеристиках, но и в изменчивости и экстремальности климата. Палеоклиматические данные подтверждают необычность происходящих климатических изменений, по крайней мере, для последних 1300 лет.
— Как составляется научный прогноз климата? Как строятся климатические модели?
— Одной из важнейших в современной климатологии является задача предсказания изменений климата в ближайшие столетия. Сложный характер процессов, происходящих в климатической системе, не допускает использования экстраполяции прошлых тенденций или статистических и прочих чисто эмпирических методов для получения перспективных оценок. Необходимо строить сложные модели климата для получения таких оценок. В подобных моделях специалисты стараются учесть все процессы, влияющие на погоду и климат, наиболее полным и точным способом. Более того, объективность прогнозов повышается, если использовать несколько разных моделей, поскольку каждая модель имеет свои особенности. Поэтому в настоящее время проводится международная программа по сравнению прогнозов изменений климата, полученных с помощью различных моделей климата по сценариям, предложенным МГЭИК, возможных будущих изменений содержания в атмосфере парниковых газов, аэрозолей и других загрязняющих веществ. Институт вычислительной математики Российской академии наук (ИВМ РАН) участвует в этой программе. Всего в ней затронуты около двух десятков моделей из разных стран, где области науки, необходимые для создания таких моделей, получили достаточное развитие: из США, Германии, Франции, Великобритании, России, Австралии, Канады, Китая...
Главными компонентами модели климата Земли являются модели общей циркуляции атмосферы и океана — так называемые совместные модели. При этом атмосфера служит главным «генератором» изменений климата, а океан — основным «накопителем» этих изменений. Созданная в ИВМ РАН модель климата воспроизводит крупномасштабную циркуляцию атмосферы и Мирового океана в хорошем соответствии с данными наблюдений и с качеством, не уступающим современным климатическим моделям. Главным образом это достигается за счет того, что при создании и настройке моделей общей циркуляции атмосферы и океана удалось добиться того, что эти модели (в автономном режиме) достаточно хорошо воспроизводят климатические состояния атмосферы и океана. Более того, прежде чем приступать к прогнозированию будущих изменений климата, наша климатическая модель, так же, как и другие, верифицировалась (проще говоря, проверялась) на воспроизведении прошедших изменений климата с конца XIX века по настоящее время.
— И каковы результаты моделирования?
— Нами было проведено несколько экспериментов по сценариям МГЭИК. Наиболее важные из них три: условно говоря, это пессимистический сценарий (А2), когда человеческое сообщество будет развиваться, не обращая внимания на окружающую среду, умеренный (А1В), когда будут накладываться ограничения типа Киотского протокола, и оптимистический (В1) — с еще более сильными ограничениями антропогенного воздействия. Причем по всем трем сценариям предполагается, что объемы сжигания топлива (а следовательно, и выбросы углерода в атмосферу) будут расти, только более или менее быстрыми темпами.
Согласно пессимистическому, самому «теплому» сценарию, среднее потепление у поверхности в 2151-2200 гг. по сравнению с 1951-2000 гг. составит около 5 градусов. При более умеренном развитии оно составит около 3 градусов.
Значительное потепление климата произойдет и в Арктике. Даже по более оптимистичному сценарию во второй половине XXI века температура в Арктике вырастет примерно на 10 градусов по сравнению со второй половиной XX века. Не исключено, что уже менее чем через 100 лет полярные морские льды будут сохраняться лишь зимой, а летом будут таять.
В то же время, согласно нашей и другим моделям, в ближайшем столетии интенсивного роста уровня океана наблюдаться не будет. Дело в том, что таяние материковых льдов Антарктиды и Гренландии будет в сильной степени скомпенсировано увеличением выпадения снега в этих регионах, связанным с увеличением осадков при потеплении. Основной вклад в повышение уровня океана должно давать расширение воды при повышении температуры.
Результаты экспериментов с моделью климатической системы ИВМ РАН по прогнозированию изменений климата вместе с результатами по другим зарубежным моделям вошли в отчет МГЭИК, удостоенный совместно с А. Гором Нобелевской премии мира 2007 г.
Следует отметить, что к настоящему времени только результаты, полученные с помощью модели климата ИВМ, представлены от России в четвертом отчете МГЭИК.
— Говорят, что европейская погода рождается в Атлантике — это действительно так?
— Погодные события, происходящие над Северной Атлантикой, безусловно, сильно влияют на Европу. Это происходит потому, что в умеренных широтах от поверхности Земли до 15-20 км в основном ветер дует с запада на восток, т. е. воздушные массы приходят в Европу чаще всего с запада, с Атлантики. Но это происходит не всегда, и вообще выделить какое-либо одно место, где полностью формируется европейская погода, нельзя.
Европейская погода как явление крупномасштабное формируется общим состоянием атмосферы Северного полушария. Естественно, Атлантика занимает в этом процессе значительное место. Однако здесь более важно не собственная изменчивость (отклонение от годового хода) циркуляционных океанических процессов в Северной Атлантике, а то, что атмосфера как существенно более изменчивая среда использует Северную Атлантику в качестве энергетического резервуара для формирования собственной изменчивости.
Здесь мы переходим от предсказания и моделирования климата к предсказанию и моделированию погоды. Надо разделить эти две проблемы. В принципе и для той и для другой задачи используются примерно одни и те же модели, описывающие динамику атмосферы. Различие состоит в том, что для предсказания погоды очень важны начальные условия модели. Их качество во многом определяет и качество прогноза.
При моделировании изменений климата на срок от нескольких десятилетий до нескольких столетий и тысячелетий начальные данные не играют такой важной роли, а важную роль играет учет тех внешних по отношению к атмосфере воздействий, благодаря которым происходит изменение климата. Такими воздействиями может быть изменение концентрации парниковых газов, заброс в атмосферу вулканических аэрозолей, изменение параметров земной орбиты и т. д. В нашем институте разрабатывается одна из таких моделей для Росгидромета.
— Что можно сказать об изменении климата на территории России? Чего особенно следует опасаться?
— В целом в результате потепления климат средней полосы России в некоторой степени даже улучшится, однако на юге России за счет увеличения засушливости ухудшится. Большая проблема возникнет из-за таяния вечной мерзлоты, территории которой занимают значительные площади.
В России при расчете потепления по любому сценарию температура будет расти примерно в два раза быстрее, чем в среднем по Земле, что подтверждается и данными других моделей. Кроме того, согласно данным нашей модели, зимой в России потеплеет сильнее, чем летом. Например, при среднеглобальном потеплении на 3 градуса в России потепление составит 4-7 градусов в среднем за год. При этом летом потеплеет на 3-4 градуса, а зимой на 5-10 градусов. Зимнее потепление в России будет связано в том числе и с тем, что немного изменится циркуляция атмосферы. Интенсификация западных ветров будет приносить больше теплых атлантических воздушных масс.
— Каков вывод МГЭИК и, в частности, отечественных ученых относительно антропогенного вклада в изменение климата?
— Исторический опыт показывает, что любое вмешательство в природу не проходит безнаказанно.
В докладе МГЭИК подчеркивается, что наблюдаемое в последние десятилетия потепление является в основном следствием влияния человека и не может быть объяснено одними естественными причинами. Антропогенный фактор, по крайней мере, в пять раз превышает эффект колебаний солнечной активности. Степень достоверности этих выводов, основанных на новейших результатах анализа данных наблюдений, оценивается как очень высокая.
Результаты нашего моделирования также убедительно демонстрируют доминирующую роль антропогенного вклада. Модели климата хорошо воспроизводят наблюдающееся потепление, если учитывают эмиссии парниковых и других газов вследствие деятельности человека, и не воспроизводят потепления, если учитывают только естественные факторы. Иными словами, модельные эксперименты демонстрируют, что без «вклада» человека климат не поменялся бы до сегодняшних величин.
Уточним, что современные модели климата включают также и расчет концентрации СО 2 . Такие модели показывают, что естественные колебания концентрации СО 2 в климатической системе на временных масштабах от столетий и меньше не превосходят нескольких процентов. Об этом же говорят и имеющиеся реконструкции. В последние несколько тысяч лет доиндустриальной эры концентрация СО 2 в атмосфере была стабильной и колебалась от 270 до 285 ppm (частей на миллион). Сейчас же она составляет около 385 ppm. Расчеты с моделями, а также оценки по данным измерений показывают, что, наоборот, климатическая система стремится скомпенсировать выбросы СО 2 , и лишь примерно половина или чуть больше всех выбросов идет на увеличение концентрации СО 2 в атмосфере. Оставшаяся половина растворяется в океане и идет на увеличение массы углерода растений и почв.
— Как, по вашему мнению, будут развиваться климатические прогнозы?
— Климатическая система очень сложна, а человечеству нужен достоверный прогноз. Все разработанные к настоящему времени модели имеют свои недостатки. Международное научное сообщество выбрало из существующих около двух десятков наиболее успешных моделей, путем сравнения которых выдается обобщенный прогноз. Считается, что ошибки различных моделей в этом случае компенсируются.
Моделирование — сложнейшая задача и большой труд. В расчеты закладывается множество параметров, учитывающих процессы переноса, взаимодействия атмосферы и океана. Сейчас в нашем институте делается новая версия модели. Например, существует проблема вблизи полюса, где из-за схождения меридианов измельчаются шаги вдоль долготы, что приводит к неоправданному «шуму» в модельном решении. В новой модели будет применено более высокое пространственное разрешение в моделях атмосферы и океана и более продвинутая параметризация физических процессов. За счет этого увеличится точность моделирования, и по этой модели нового уровня будет сделан новый прогноз.
Почему-то в нашей стране проблемам моделирования уделяется намного меньше внимания, чем на Западе, где значительные финансовые и научные ресурсы выделяются именно на задачи создания численных моделей циркуляции атмосферы и океана. Эти задачи требуют высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных комплексов (использующийся для целей прогнозирования климата суперкомпьютер ИВМ входит в рейтинг ТОР-50 стран СНГ). Наши работы были поддержаны только некоторыми программами РАН и проектами Российского фонда фундаментальных исследований.
В ближайшее время начинается новый этап экспериментов с совместными моделями по программе МГЭИК. На этом этапе будут принимать участие обновленные модели климата Земли с более высоким пространственным разрешением и включением более широкого спектра моделируемых физических процессов. Модели климата постепенно перерастают в модели земной системы в целом, которые уже не только рассчитывают динамику атмосферы и океана, но и включают в себя детальные подмодели химии атмосферы, растительности, почвы, химии и биологии моря и других процессов и явлений, влияющих на климат.
Введение
Центральной проблемой современной теории климата является проблема предсказания изменений климата, вызванных антропогенной деятельностью. В силу специфических особенностей климатической системы, которые будут обсуждены ниже, эта проблема не может быть решена традиционными методами, многократно опробованными в естественных науках. Можно констатировать, что главной методологической основой решения данной задачи является в настоящее время численное моделирование климатической системы с помощью глобальных климатических моделей, основой которых являются глобальные модели общей циркуляции атмосферы и океана. Естественно, что формулирование моделей климата требует проведения натурных экспериментов, анализ результатов которых позволяет формулировать все более точные модели конкретных физических процессов, определяющих динамику климатической системы. Однако, такие эксперименты не решают главной задачи - определение чувствительности реальной климатической системы к малым внешним воздействиям.
Климатическая система и климат
Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, создающие типичный режим температуры, увлажнения, циркуляции атмосферы. При этом под "типичными" понимаются те черты, которые сохраняются практически неизменными на протяжении одного поколения, т.е. порядка 30 – 40 лет. К числу этих черт относятся не только средние значения, но и показатели изменчивости, такие, как, например, амплитуда колебаний температуры. Имея дело со столь продолжительными по времени процессами, невозможно рассматривать климат какой-то местности изолированно. За счет теплообмена и циркуляции воздуха вся планета принимает участие а его формировании. Поэтому естественно употреблять понятие климат планеты Земля, Особенности климата отдельных регионов – это преломление общих закономерностей в конкретной обстановке. Так что не столько глобальный климат складывается из местных климатов, сколько местные определяются глобальным. И погода, не изменения климата определяются явлениями, происходящими ее только в атмосфере, но и в других геосферах. На атмосферу не только влияют, но и зависят от нее океан, растительность, снежно-ледниковый покров, почва и далее человеческая деятельность. Итак, в климатическую систему входят атмосфера, а также процессы и свойства других элементов географической оболочки, которые влияют на атмосферу и зависят от нее. Внешние явления в отличие от внутренних влияют на атмосферу, но не зависят от нее. Такова, например, приходящая из космоса радиация.
Особенности климатической системы как физического объекта
Климатическая система как физический объект обладает рядом специфических особенностей.
1. Главные компоненты системы - атмосфера и океан - с геометрических позиций можно рассматривать как тонкие пленки, поскольку отношение вертикального масштаба к горизонтальному составляет величину порядка 0.01 - 0.001. Таким образом, система квазидвумерна, однако, вертикальная стратификация по плотности очень важна, и крупномасштабные вертикальные движения ответственны за бароклинные преобразования энергии. Характерные временные масштабы энергозначимых физических процессов лежат в диапазоне от 1 часа до десятков и сотен лет. Все это приводит к тому, что лабораторное моделирование такой системы, мягко говоря, крайне затруднительно.
2. С климатической системой нельзя поставить целенаправленный физический эксперимент. Действительно, мы не можем накачать климатическую систему, например, углекислым газом и, сохраняя прочие равные условия, измерить полученный эффект.
3. В нашем распоряжении имеются лишь короткие ряды данных наблюдений, да и то лишь об отдельных компонентах климатической системы. Конечно, имеется еще много других важных особенностей климатической системы, которые следовало бы рассмотреть, однако, даже перечисленные выше позволяют сделать вывод, что главным средством исследования климатической системы является математическое моделирование. Опыт последних лет показывает, что основные результаты теории климата были получены на основе построения и использования глобальных климатических моделей.
Математические модели климатической системы
В данном разделе мы кратко обсудим, на каких основных положениях базируется построение современных климатических моделей. Современные модели климата - это модели, в основе которых лежит современная модель общей циркуляции атмосферы и океана, причем центральным направлением их развития является все более точное описание всех физических процессов, участвующих в формировании климата. В основу построения современных моделей климата положен ряд принципов. Принимается, что локально справедливы уравнения классической равновесной термодинамики. Предполагается далее, что для описания динамики атмосферы и океана справедливы уравнения Навье-Стокса для сжимаемой жидкости. Поскольку в современных моделях в силу, главным образом, вычислительных возможностей используются уравнения Рейнольдса - осредненные по некоторым пространственным и временным масштабам уравнения Навье- Стокса, то считается, что существует принципиальная возможность их замыкания. Процедура замыкания предполагает, что эффекты процессов подсеточных масштабов (масштабов меньших, чем масштаб осреднения) могут быть выражены через характеристики процессов крупных масштабов. К этим процессам относятся:
1) перенос излучения (коротковолновой и длинноволновой радиации);
2) фазовые переходы влаги и процесс локального осадкообразования;
3) конвекция;
4) пограничные и внутренние турбулентные слои (некоторые характеристики этих слоев описываются явно);
5) мелкомасштабная орография;
6) волновое сопротивление (взаимодействие мелкомасштабных гравитационных волн с основным потоком);
7) мелкомасштабная диссипация и диффузия;
8) мелкомасштабные процессы в деятельном слое суши.
Наконец, для описания крупномасштабных атмосферных и океанических движений справедливо приближение гидростатики: вертикальный градиент давления уравновешивается силой тяжести. Использование такого приближения требует дополнительных упрощений (постоянный радиус Земли, пренебрежение составляющими силы Кориолиса с вертикальной компонентой скорости) с тем, чтобы в системе уравнений при отсутствии внешних источников энергии и диссипации выполнялся закон сохранения энергии. Уравнения гидротермодинамики атмосферы и океана, замыкания процессов подсеточных масштабов и краевые условия.
I. Глобальная теорема разрешимости на любом, как угодно большом, промежутке времени t.
К сожалению, в сферической системе координат с "правильными" краевыми условиями такой теоремы в настоящее время нет, что не есть следствие отсутствия таких теорем для трехмерных уравнений Навье-Стокса. Уравнения современных климатических моделей имеют "2.5" - размерность, поскольку вместо полного третьего уравнения движения используется уравнение гидростатики.
II. Существование глобального аттрактора.
Это утверждение доказано при условии, что S - строго положительно-определенный оператор:
(Sϕ ϕ) ≥ µ(ϕ,ϕ), µ >0
Проблема заключается в том, что в общем случае этого написать нельзя, поскольку уравнение неразрывности для сжимаемой жидкости не диссипативно.
III. Размерность аттрактора.
Конструктивные оценки размерности аттракторов для моделей этого класса очень грубы. Они представляют собой оценки сверху, которые, вообще говоря, непригодны для теории, рассмотренной в предыдущем разделе.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На студенческую научную конференцию ОГЭКУ
«Анализ климатических моделей при помощи физических методов»
Сделала ст.гр. ВБ-11
Смокова В.Д.
Научный руководитель:д.т.н.
Романова Р.И.
Одесса-2015
Список литературы:
http://umeda.ru/concept_climate
http://www.inm.ras.ru/vtm/lection/direct2/direct2.pdf
Володин Е.М., Дианский Н.А. Отклик совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана на увеличение содержания углекислого газа.
Володин Е.М., Дианский Н.А. Моделирование изменений климата в 20 – 22 столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана.
Грицун А.С., Дымников В.П. Отклик баротропной атмосферы на малые внешние воздействия. Теория и численные эксперименты.
Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М., Галин В.Я., Глазунов А.В., Грицун А.С., Дианский Н.А., Толстых М.А., Чавро А.И. Моделирование климата и его изменений. – В: «Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования»,
Похожие статьи
